BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Nguyễn Bình An KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ CHẾ TẠO CỦA TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU BÁN DẪN TỪ INDIUM IRON ANTIMONIDE (In,Fe)Sb KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Nguyễn Bình An KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ CHẾ TẠO CỦA TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU BÁN DẪN TỪ INDIUM IRON ANTIMONIDE (In,Fe)Sb Ngành Sư phạm Vật lý Mã số sinh viên: 42.001 Giảng viên hướng dẫn Giảng viên phản biện TS. NGUYỄN THANH TÚ TS.
CAO ANH TUẤN TP. Hồ Chí Minh, năm 2020 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN TỪ.
Điện tử học spin (spintronics). Vật liệu bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductors - FMSs). Giới thiệu về vật liệu bán dẫn từ. Vật liệu bán dẫn từ pha tạp Mn và hạn chế của nó.
Vật liệu bán dẫn từ pha tạp sắt. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÀNG MỎNG (In,Fe)Sb. Phương pháp Epitaxy chùm phân tử (molecular beam epitaxy - MBE). Phương pháp kiểm tra chất lượng bề mặt của màng mỏng.
Quang phổ lưỡng sắc tròn (magnetic circular dichroism spectra - MCD). Xác định nhiệt độ Curie bằng phương pháp vẽ Arrott plot. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN. Các thông số của mẫu nghiên cứu:.
Khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của màng mỏng (In,Fe)Sb. Khảo sát tính chất quang-từ (magneto-optical) của màng mỏng (In,Fe)Sb.2 Hướng phát triển của đề tài. 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 48 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT (Theo thứ tự bảng chữ cái) Chữ viết tắt Nội dung FMS Ferromagnetic semiconductor – Bán dẫn từ MBE Molecular-beam epitaxy: Epitaxy chùm phân tử MCD Magnetic circular dichroism - Lưỡng sắc tròn từ tính Reflection high-energy electron diffraction - Nhiễu xạ electron phản RHEED xạ năng lượng cao GMR Giant magnetoresistance effect - Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ TMR Tunnel magnetoresistance effect - Hiệu ứng từ điện trở chui hầm 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH Số thứ tự Tên bảng Trang Thông số các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb trong đề tài.1 (In1-x,Fex)Sb từ A0 đến A4 với nhiệt độ đế từ 2100C đến 33 2700C, trong đó mẫu A0 là mẫu InSb đối chiếu.
Số thứ tự Tên hình Trang Định luật Moore cho thấy dự đoán tốc độ tăng số lượng Hình 1.1 transistor trên một đơn vị diện tích theo thời gian.com) Minh họa lĩnh vực spintronic ứng dụng cả tính chất điện và từ Hình 1. (a) Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ. (b) Hiệu ứng từ điện trở Hình 1. Cách ghi dữ liệu của các loại MRAM.
(a) MRAM đảo bằng từ Hình 1.4 trường (b) MRAM đảo bằng dòng phân cực spin.5 Minh họa sự tạo thành vật liệu bán dẫn từ. 13 Sự phụ thuộc của độ từ hóa M theo từ trường của màng mỏng Hình 1. Hình bên trong biễu 15 diễn độ từ dư theo nhiệt độ của mẫu này. Quang phổ MCD của các màng mỏng (Ga,Mn)As với nồng Hình 1.
Điều khiển tính chất từ bằng dòng điện trên (In,Mn)As.8 16 đó RHall là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ hóa M. 2 Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số Hình 1.9 vật liệu bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Mn gồm (Ga,Mn)As, 17 (In,Mn)As, (Ga,Mn)Sb, (In,Mn)Sb. Ảnh chụp cấu trúc tinh thể bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (STEM) của các mẫu bán dẫn từ pha tạp sắt như Hình 1.10 19 (In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb chế tạo bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử. Quang phổ MCD của (a) các màng mỏng (Ga,Fe)Sb với nồng Hình 1.11 độ pha tạp Fe từ 3.9 - 25% và (b) (In,Fe)Sb với nồng độ pha 20 tạp Fe từ 5 - 16%.
Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số Hình 1.12 vật liệu bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Fe gồm (Ga,Fe)As, 21 (In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb, và (In,Fe)Sb. Điều khiển tính chất từ của màng mỏng (In,Fe)Sb bằng điện trường. Trong đó RHall là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ Hình 1. Khi đặt vào cổng điện áp dương (+5V) RHall tăng lên cho thấy độ từ hóa M hay từ tính của màng (In,Fe)Sb tăng lên.1 Sơ đồ minh họa hệ thống epitaxy chùm phân tử.
23 Mô tả sự tăng trưởng của chùm phân tử trong phương pháp Hình 2. Ảnh chụp buồng tăng trưởng EpiQuest III-V MBE tại đại học Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thiết bị để thu phổ RHEED. 25 Ảnh RHEED thu được trong quá trình chế tạo màng mỏng Hình 2.5 bán dẫn TiO2 trên đế LaAlO3 bằng phương pháp MBE. Bên 26 trái là ảnh RHEED, còn bên phải là ảnh minh họa hình thái bề 3 mặt tương ứng.
(a) Ảnh RHEED của đế LaAlO3 trước khi phủ TiO2 có dạng bằng phẳng. (b) – (d) Ảnh RHEED của lớp TiO2 ứng với bề dày 4, 30, 40nm. Ảnh RHEED chụp theo phương [110] của các màng mỏng (a) Hình 2.6 GaAs chế tạo ở nhiệt độ 250oC, (b) (Ga,Mn)As ở 250oC, (c) 27 (Ga,Mn)As 170oC, và (d) (Ga,Mn)As 320oC. Sơ đồ minh họa cách bố trí thu phổ MCD của màng mỏng bán Hình 2.7b Ảnh chụp máy đo phổ MCD ở trường đại học Tokyo.
28 (a) Quang phổ MCD của (In,Fe)As cho thấy có sự tăng cường độ mạnh mẽ tại các peak quan trọng của InAs. (b) Phổ MCD Hình 2.8 30 của lớp Fe dày 44nm thể hiện một peak nền rộng, khác biệt hoàn toàn so với (In,Fe)As. Hình vẽ cấu trúc của các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb trên đế Hình 3. (a) – (d) Hình ảnh RHEED của các lớp đệm AlSb của các Hình 3.2 34 mẫu theo thứ tự tương ứng A1 – A4.3 Hình ảnh RHEED của lớp (In,Fe)Sb của các mẫu theo thứ tự.
35 Phổ MCD của các mẫu (In,Fe)Sb (A0-A4) chế tạo ở các nhiệt Hình 3. Phổ MCD được 37 đo ở nhiệt độ 5K khi đặt trong từ trường 1T.5 39 đo ở 5K dưới các từ trường khác nhau 0.6 đo ở 5K dưới các từ trường khác nhau 0.5T và 1T sau 40 khi đã được chuẩn hóa. 4 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của cường độ MCD theo từ Hình 3.7 trường của các mẫu A1, A2, A3, A4, theo thứ tự được đo ở 42 các nhiệt độ khác nhau từ 5K đến 300K. Đồ thị Arrott plot của 4 mẫu (In,Fe)Sb từ A1 – A4 chế tạo ở Hình 3.8 các nhiệt độ khác nhau lần lượt 210oC, 230oC, 250oC, và 44 270oC.
Đồ thị biễu diễn mối liên hệ giữa nhiệt độ Curie TC theo nhiệt Hình 3.9 45 độ chế tạo mẫu Tđế. Lý do chọn đề tài Những năm gần đây vật liệu “bán dẫn từ” (ferromagnetic semiconductor - FMS) thu hút sự quan tâm nghiên cứu vì nó sở hữu cả hai tính chất quan trọng là tính bán dẫn và từ tính. Sự kết hợp của hai tính chất này giúp cho các nhà khoa học có thể tạo ra những thiết bị điện tử mới như spin-transistor, máy tính lượng tử…với nhiều chức năng hơn, nhanh hơn, và tiêu thụ ít điện năng hơn so với các thiết bị điện tử hiện nay.1,2 Để có thể đưa vào sử dụng trong thực tế, nhiệt độ Curie TC (nhiệt độ chuyển pha giữa thuận từ và sắt từ) của vật liệu bán dẫn từ phải lớn hơn nhiệt độ phòng (khoảng 300 Kelvin (K)). Tuy nhiên, tất cả các vật liệu bán dẫn từ được phát hiện cho đến nay đều có nhiệt độ Curie rất thấp.
Chẳng hạn, chất bán dẫn từ được nghiên cứu nhiều nhất hiện nay là Galium Manganese Asenide ((Ga,Mn)As) có nhiệt độ Curie cao nhất cũng chỉ 200K (-730C),3 điều này gây khó khăn cho việc đưa vào ứng dụng trong các thiết bị điện tử. Gần đây, nhóm hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học Tokyo (Nhật Bản) và trường đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh đã chế tạo thành công chất bán dẫn từ mới Indium Iron Antimonide (In,Fe)Sb có nhiệt độ Curie cao đến 385K (tức 1120C) bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử.4, 5 Đây được xem là vật liệu bán dẫn từ có nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho đến nay, vì vậy chúng có rất nhiều tiềm năng để ứng dụng trong lĩnh vực điện tử. Tuy nhiên việc tối ưu hóa các điều kiện chế tạo vật liệu (In,Fe)Sb như nhiệt độ chế tạo, bề dày màng mỏng,… vẫn chưa được nghiên cứu và thực hiện. Vì vậy với mong muốn được tìm hiểu nghiên cứu sâu hơn về vật liệu (In,Fe)Sb và tìm điều kiện để cải thiện tính chất từ của màng mỏng (In,Fe)Sb, tôi mong muốn thực hiện đề tài “Khảo sát sự phụ thuộc vào nhiệt độ chế tạo của tính chất từ của vật liệu bán dẫn từ Indium Iron Antimonide (In,Fe)Sb” 2.
Mục đích nghiên cứu Khảo sát sự thay đổi tính chất từ của màng mỏng bán dẫn từ (In,Fe)Sb theo nhiệt độ chế tạo từ đó tìm ra nhiệt độ tốt nhất để chế tạo màng mỏng (In,Fe)Sb. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu về vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb. - Tìm hiểu về phương pháp chế tạo màng mỏng (phương pháp epitaxy chùm phân tử) và các phương pháp phân tích tính chất của màng mỏng. - Tiến hành xử lý các số liệu đo đạc thực nghiệm của nhóm nghiên cứu ở trường đại học Tokyo và phân tích các kết quả từ số liệu thu được.
- So sánh, đánh giá kết quả và đưa ra kết luận về nhiệt độ tối ưu để chế tạo màng. Những đóng góp của đề tài Thông qua quá trình xử lý và đánh giá số liệu được đo đạc thực nghiệm, đề tài đã đưa ra được nhiệt độ tối ưu tốt nhất để chế tạo vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử, ngoài ra kết quả nghiên cứu cũng cho biết quy luật ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo lên tính chất của màng mỏng (In,Fe)Sb, từ đó chọn được nhiệt độ chế tạo thích hợp cho từng mục đích sử dụng khác nhau. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN TỪ 1. Điện tử học spin (spintronics) Nhờ những phát minh ra các thiết bị điện tử như transitor, mạch tích hợp (ICs) và laser các nhà khoa học đã tạo nên cuộc cách mạng của công nghệ thông tin và cải thiện chất lượng của cuộc sống con người.
Để phục vụ nhu cầu ngày càng tăng của con người, các thiết bị điện tử đã được phát triển liên tục, cứ sau 18 tháng số lượng transistor trên một đơn vị diện tích cho mỗi bộ vi xử lý được tăng gấp đôi, đó là nội dung của định luật Moore như thể hiện trên hình 1. Điều này dẫn đến sự cải thiện về tốc độ và năng lực của máy tính cũng như làm giảm chi phí của máy tính.